基于ANSYS的塔机动力学模态分析

2021-03-12沈俊杰王彩涛

南方农机 2021年5期

付石，沈俊杰，王彩涛

（长安大学，陕西西安 710064）

0 前言

近年来，随着塔机[1]的大范围应用，塔机的工作环境和工作状态愈加多样性，常需要进行多种复杂的变幅、起重等动作，在提高工作效率的同时，也产生例如冲击载荷等不利的影响，从而对塔机造成破坏。本文为验证某一型号塔机的稳定性，解决振动变形问题，构建有限元模型，分析不同阶数及频率下塔机的振型特点，提出改进措施，增强稳定性，并为之后的塔机设计提供一定的依据。

1 塔机有限元模型的建立

1.1 实体模型的建立

塔机塔身基础节中心线尺寸：1 465×1 465×2 800，主弦杆中心线尺寸为：1 465×1 465×2 800；塔身主弦杆型号160×16，水平斜腹杆型号75×6，竖直斜腹杆型号90×8，材料均为Q235C；平衡臂主梁型号25#工字钢，腹杆型号90×8，材料均为Q235C；起重臂上弦杆选用钢管89×8，材料20#钢；下弦杆为12#槽钢，材料Q235C；主斜腹杆尺寸则为50×4，水平斜腹杆尺寸300×3，均选用20#钢；起重臂外拉杆为60尺寸的实心钢管，内拉杆48尺寸的实心钢管，平衡臂拉杆为48尺寸实心钢管，拉杆材料均选用Q235C。

图1 塔机实体模型

根据参数建模：1）建模前设置分析模式。2）建立塔身标准节各关键点，关键点建立以后按相应位置连接成线。3）利用复制操作，选择相应线并沿Z轴正向复制13次。后通过G UI命令：Main Menu→Preprocessor→Numbering Ctrls压缩关键点和线段编号、合并重合的关键点和线段，生成塔机塔身实体模型。4）同理建立起起重臂、平衡臂、塔帽等实体模型直至建立起塔机的实体模型，如图1所示。

1.2 塔机有限元模型的建立

在塔机有限元建模过程中，为了便于分析和设计计算、减小工作量并且避免非主要的因素对分析结果的影响，可根据塔机的实际工作状况对塔机结构进行必要的简化。

本文涉及的塔机塔身底部结构刚度很大，而且因为塔机是安装在整块地基上的，所以认为塔机底部能承受较大的弯矩，把塔机底部简化为固定支座；又塔机回转节与起重臂第一节之间的连接是通过销轴完成的，所以在臂架起升平面将根部处理为固定铰支座，属于铰接。分析求解时，应该约束好各种自由度。相比于整个塔机而言，塔机的回转结构、塔机附件等实体部件几何尺寸相对较小，但是质量集中，不易损坏发生事故，可等效处理，减少塔机分析求解过程中需要的单元类型，减少操作，而且对塔机建模的精确度不会产生太大影响[2]。变幅小车、吊钩这些附件与吊重合一处理，在ANSYS加载分析时，与吊重合并到一块且将其看作起升载荷。

1.2.1 有限单元的选择

塔机是空间桁架结构类型，所以要用ANSYS有限元软件中的梁单元、杆单元、质量单元来模拟塔机各结构。其中用梁单元即Beam188单元来模拟起重臂、平衡臂、塔帽、塔身结构，这足以满足分析要求。选用三维质点Mass21单元用来假拟平衡重。Link8单元是一种广泛应用于各类工程中的三维杆单元，用来模拟拉杆、缆绳、锁链、弹簧等。

1.2.2 有限元模型的建立

定义完成各杆的截面尺寸、单元类型、材料属性、实常数后，就要按照各杆自身的属性来进行网格划分，这样建立塔机的有限元模型，如图2所示。需要强调的是，Link8单元只能承受拉力，所以进行网格划分时，每根拉杆一般只能划分一个单元，而起重臂每根杆理论上一般可以划分两到三个单元。设计中将起重臂每根杆划分一个单元，便于建模，简化计算。

图2 塔机有限元模型

2 模态分析结果

本文采取subspace提取模态法[3]，因其具有相对完整的质量矩阵和刚度矩阵，计算相对可以满足大多数情况，适用于塔机这种具有大型特征值状况。对于低阶固有频率研究更有意义，因为对于高阶固有频率，自振时间较短，自振周期较低，对结构造成的破坏影响不大[4]。本文参考文献及考虑到实际情况，只列出塔机前六阶固有频率振型图（图3～图8）及前二十阶频率表（表1）。如下：